作者：陈忠民

CPU时钟频率的设置不仅影响系统性能，还会影响CPU的安全。那么CPU的时钟频率到底是如何得来的呢？ 

●    BSEL信号设定CPU外频

CPU制造商和主板制造商共同开发时钟频率的自动设置技术，其中CPU外频是频率合成器提供的，而倍频则由CPU自身进行设定。为了实现对外频的调节和控制，早期主板通过跳线设定的方式让频率合成器产生不同的外频，后来在CPU外频设定引脚和频率合成器之间建立了一个逻辑信号转换芯片，使CPU外频可以通过BIOS或超频软件进行调节。

 改变频率合成器的输出频率，是通过修改它的控制寄存器的频率控制位实现的。寄存器中的数据发生变化时，频率合成器的工作状态也随之改变，从而实现不同频率的输出。由于不同型号的CPU有着不同的外频，因此电脑在启动时就要告诉频率合成器按照怎样一个频率来启动系统，这一功能是通过CPU的BSEL（FSB_Sense）引脚来实现的，BSEL信号通过SMBus总线将二进制数值存放到频率合成器的频率寄存器中，频率合成器按照所设定的编码－频率表，实现了CPU对频率合成器的控制。譬如，Socket 478封装的各款处理器，外频是由BSEL（AD5）和BSEL0（AD6）两个引脚来控制的，两者不同的电平组合决定了CPU的外频，见表1。

表1  Socket 478之频率设置

●    FID信号设置CPU倍频

如同CPU供电电路使用VID（Voltage Identify，电压识别码）信号自动设置核心电压的值一样，CPU倍频的设置是采用FID（Frequency Identify，频率识别码）信号来设置的，见表2。这样不仅能实现CPU工作频率的自动识别和设置，还能有效地防止不法商家对其进行Remark。 

表2  FID电平与倍率对照表

图1是Socket K7 CPU倍频信号工作流程，当RESET#信号到来时，处理器将FID信号送给逻辑信号转换芯片，由该芯片产生SIP（Serialization Initialization Packet，串行初始化数据包），对系统总线进行初始化和设置。

图1  Socket K7 CPU倍频信号工作流程(点击图片放大)

CPU上设置有一些连接线（称之为金桥），FID信号的电平可以通过改变金桥的通断进行设置，金桥接通时为低电平，断开时则为高电平。FID信号在内置倍频控制单元内生成，并经内置FID驱动电路对信号进行放大后，从FID引脚送至逻辑信号转换芯片，产生的SIP数据包再从BP_FID引脚返回到CPU。这样，CPU内部的频率合成电路便可以将倍频与外频两个信号一起合成CPU的核心频率。

电脑中的CPU，AGP插槽、PCI插槽、硬盘接口、USB端口和PS/2端口等在通信速度上有很大差异，所以需要提供不同的时钟频率，譬如PCI要求33MHz、USB为48MHz等，如图1。可是，一只石英振荡器只能提供一种频率，所以主板制造商通常将这些原本散布在主机板上各处的振荡电路整合成一颗“频率合成器（Frequency Synthesizer）”芯片，对晶体振荡器产生的脉冲信号进行分频（或倍频），以便为不同运行速度的芯片（或设备）提供所需要的时钟频率。

图1   Intel 875主板上各个总线的带宽

普通分频器为整数分频器，其输出频率与输入频率之间为整数倍的关系，只能分段调节频率，不能满足精密调节的要求。频率合成器是“分数分频器”，可对输出频率进行精细调节。研发工程师可自由地设计电路中的各种频率，不再受限于石英震荡晶体的固定频率规格。目前电脑中的时钟芯片一般都具有“分数分频”能力，可以根据需要将调节步长设计到1％，甚至1％％。为了指导和规范频率合成器的设计和应用，Intel制定了频率合成器设计指南，如CK97、CK40X等，适用于最新Pentium 4处理器的规范是CK410。

●    频率调节原理

频率合成器是一个具有频率负反馈的时钟信号系统（图2），其中使用了两个分频器，Mdiv用于降低基准频率，Ndiv则用于对VCO进行分频。晶体振荡器（OSC）产生的频率f_i经M分频器后得到参考频率f_ref，它与反馈频率f_fb分别送入鉴频／鉴相器（Frequency  Phase Detector，FPD）的两个反向输入端，FPD输出一个反映两者之商的误差电压。这一误差电压控制电荷泵（Charge Pump，CP）进行充电或放电电流，经低通滤波器（Low Pass Filter，LPF）滤除交流分量后，提供给压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO），由VCO输出所需要的频率信号f_out。

图2   PLL原理

频率合成器的频率调节精度与频率寄存器的位数有关，譬如，如果频率寄存器为5位，则调节步长为1MHz。为数越多，调节精度越高。在实用的频率合成器中，Mdiv和Ndiv两个分频器均为可编程的，只要用户设定相应的f_out数值，BIOS便能自动给出N、M和K的值，并通过SMBus总线写入相应的寄存器中。

●    PLL实现相位同步的自动控制原理

时钟芯片是电脑的心脏，其性能和稳定性直接决定着整个硬件系统的性能。采用频率合成器一方面可以节省成本与主板空间，更为重要的目的是使主板各芯片以及外部设备的时钟信号与CPU的时钟信号之间保持严格的同步关系，以保证正确地交换数据。FS芯片不仅具有倍频／分频功能，更主要的特点就是具有相位锁定功能——输出信号的相位被强制跟参考信号的相位保持一致。因此，频率合成器输出的各种时钟信号虽然频率各不相同，但它们在相位上是完全一致的，它们都与参考信号源保持相位同步。

为了实现相位锁定，VCO输出的时钟信号与参考频率信号在鉴相器中进行相位比较，如果两者相位不同，就会输出一个与相位差大小成比例的误差电压；误差电压的极性决定了电荷泵内的电流源是吸收还是送出电流，所以电荷会流入或流出滤波器内的电容器，电荷流动的数量与相位差的大小成正比。压控振荡器是一个受电压控制的振荡器，内部的变容二极管两端电压变化时，其电容量会随之改变，从而改变振荡器的频率。

压控振荡器是PLL电路的核心单元，相位控制过程是依靠改变压控振荡器的输入电压（即调谐电压）实现的，调谐电压的大小和极性决定了相位调整是滞后还是超前，从而使相位误差得以校正。

●    频率合成器的其他功能

整合的时钟电路，是硬件技术进步的一个标志。目前，频率合成器芯片的应用已经十分普遍，常见的有ICS、Cypress、IDT、Realtek和Winbond等品牌。不过，在nForce2主板中，已经找不到频率合成器的身影了，因为频率合成功能已经整合到IGP/SPP芯片中去了。

      通过前面的博客文章《闪存与EEPROM，一对同胞兄弟》，我们已经知道，闪存与EEPROM具有相同的存储单元和工作原理，两者的差别仅在于采用了不同的存储元组织结构。EEPROM以字节为单位进行读写，而闪存以块为单位，所以读写速度更快。

      那么，闪存与EPROM之间又有什么关系呢？闪存是由EPROM演化而来的，两者的存储原理基本一致，所不同的是，EPROM利用紫外线进行读写，所以也称作UV-EPROM，而闪存和EEPROM都是通过电场的方式进行读写的。

       为什么会有这样的不同呢？我们可以从它们不同的显微结构中找到答案。

EPROM的显微结构

闪存的显微结构

作者：陈忠民

［导读］闪存和EEPROM是一对同胞兄弟，它们具有相同的存储元，由于采用不同的管理方式，所以读写速度也有所不同。

1998年，台湾小伙子陈盈豪写了一段可以抹去BIOS信息小程序，正是这段小程序让他一夜成名。因为这段小程序执行以后，电脑中BIOS信息丢失，导致了一种不可逆的故障——黑屏。这是电脑史上首例可以摧毁硬件恶意程序——以陈盈豪的英文名字Chen Ing-hau的缩写命名的CIH病毒。 1998年4月26日，CIH发作，导致全球6000万台电脑瘫痪，造成巨大的经济损失。西方媒体因为这一病毒被设定在切尔诺贝利核电厂事故的周年纪念日这一天发作，因此又称之为切尔诺贝利病毒。

CIH病毒之所以这么厉害，是因为当时电脑采用一种新的器件来存放BIOS信息，这就是EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，电可擦可编程只读存储器），而在此之前使用的是完全不可改写的mask ROM或利用紫外线才能改写的PROM。

使用EEPROM的目的是可以方便地升级BIOS，升级后的BIOS可以让电脑的功能更强，性能更好。譬如一块不支持新型号处理器的主板，刷新BIOS以后就支持了，再譬如老的电脑主板本来并不支持CPU电压的调整，刷新以后就支持了。

受CIH病毒的影响，后来改用一种供电电压可变的EEPROM芯片来存储BIOS信息。电脑正常工作时，使用＋5V的供电电压——此时芯片是只读的，而在进行刷新的时候，需要利用主板上的一个跳线将电压设置在＋12V的位置。这就意味着，只要你把跳线放在＋5V的位置，CIH病毒对你的电脑就无计可施了。

如果说陈盈豪给中国人的脸上抹了黑，那么就在一年以后，另外两个中国人给中国人挽回了颜面——邓国顺和成晓华共同发明了闪存盘（因为使用USB接口与电脑进行通讯，所以也称作U盘），他们的发明不仅为人们携带数据提供了极大的方便，还催生一个巨大的产业。大家注意到没有，围绕编写CIH病毒程序和发明U盘这两件互不相干的事情，有一个共同点，就是都打了EEPROM芯片的主意。

发明闪存盘的邓国顺

闪存盘的发明和广泛应用，让我们知道了闪存这个技术词汇。闪存与普通的EEPROM具有相同的存储原理，只是采用了不同的组织结构：EEPROM以字节为单位进行读写（所以也称作Byte EEPROM），而闪存则是以块（block）为单位对整个芯片进行读写。

闪存与EEPROM具有相同的存储单元

在闪存芯片中，块的大小并没有严格规定，但是比起字节来要大得多，因此在读写速度方面，闪存的优势非常明显。NAND型闪存执行一次擦除操作只需要4ms，眨眼之间就能将芯片中的数据全部擦除。日本科学家Arrizumi由此联想到照相机的闪光灯，于是就给这种新器件起了“Flash memory”这个名字，中文译名“闪速存储器”，简称“闪存”。

      再过两天就到圣诞节了。为了增添一点节日气氛，avan利用废弃的彩色小灯泡制作了一个USB彩灯，来装扮自己的电脑。现将制作过程贴出来，供朋友们参考。

1 前期准备

2 可行性分析

另一方面，因为电路中接有自恢复保险，即便过流，大不了灯不亮，也不会造成什么严重后果（过去的老主板有可能因为过流而烧断保险丝），所以可以大胆地进行试验。

实际测量小灯泡电流为70mA左右，从理论上讲USB接口最多只能并联7只这样的小灯泡，实际上连接14只灯泡也不会有什么问题的。实际制作时连接了10只灯泡，结果工作十分正常，印证了分析的正确性。

3 制作步骤

（1）用刀片在导线上切开一些缺口，两个缺口间的距离约为5cm，将彩灯并联在两根导线之间，然后用胶带纸缠绕，一方面可以绝缘，同时也起到固定的作用。

（2）将USB外接连线拨开一个缺口，然后将两根导线分别连接到USB连线的红线（＋5V）与黑线（地线）上。

Connect the little bulb to USB wire

（3）将USB插头插入电脑试验，10只彩灯全部点亮，制作完毕。

用万用表测量并联后的10纸小灯泡的总电流为0.6A。通过测量，一方面检查了联接的正确性，另一方面对USB接口的负载承受能力也有数了。

Current test

用＋5V电压给小灯泡供电，看上去亮度有些不足，不过在室内使用时装饰性效果还是可以满意的。

Appearance_1

Apearance_2

5．Windows 95：构筑即插即用的理论体系

即插即用系统的设计目标就是使普通用户安装新硬件的操作更容易，减少麻烦事。1995年，微软公司在其发布的Windows 95操作系统中率先提供了对即插即用技术的支持，即插即用技术从此走上了不断发展的道路。即插即用操作系统能够动态地分配和管理系统资源，有效地避免资源冲突，提高了电脑的可靠性和易用性。

Windows也好，Linux也罢，操作系统就是一个管理和利用好硬件资源、然后为应用程序做好服务的一个“中间件”。操作系统的主要任务是将设备、主机（包括BIOS）与设备驱动程序三者结合起来。为此，操作系统要完成两个基本任务：一是为设备配置资源，让设备在主板上占有一席之地；二是为设备选择匹配的驱动程序，以便在需要时可以调用它。

前文曾提到，操作系统对一些基本的硬件（如键盘、鼠标和软驱、硬盘等）进行操作时，是通过调用BIOS的中断服务程序实现的。因为这些BIOS所支持设备的驱动程序固化在BIOS中，系统通过调用软件中断的方式来执行它们，因此称为中断服务程序。对于BIOS所不支持的设备，操作系统需要操作和管理这些设备时，就要利用设备驱动程序。

驱动程序是随新硬件而来的用于管理硬件的程序，可别小看了它的作用。如果把新硬件比作新娘，驱动程序就是陪嫁的仆人，她既了解新娘的嗜好和习惯，对新主人也惟命是从。驱动程序执行操作系统给出的任务，去与硬件打交道，并将执行结果返回给操作系统。

操作系统安装驱动程序，就是让操作系统、驱动程序和新硬件三者之间实现无缝连接。已经安装的设备驱动程序保存在\WINDOWS\SYSTEM目录中，注册表中记录了驱动程序的位置及文件名、版本号等详细信息。操作系统欲对某设备进行操作时，可以立即找到它，并把操作任务交给它去做。操作系统软件之所以越来越庞大，其中一个主要原因就是其中捆绑了更多的驱动程序，这样就让更多的设备可以实现无人值守的安装了。

说了半天，Windows发现和安装硬件驱动程序的究竟是怎样一个过程呢？这大概才是大家最想知道的。Windows利用“PnP管理器”和“I/O管理器”这两个家伙来发现和完成新设备安装，如图3。

图3   即插即用系统信息流程

新设备插入后，即PnP管理器会发现它，然后告诉用户说：“发现了新硬件”。之后，它会默不作声地去注册表中寻找，看有没有现成的驱动程序，如果能找到，就告诉用户，你安装的新硬件已经可以使用了。如果没有找到与这台设备相匹配的驱动程序，就会提醒用户说，我找到你所安装的设备，但还要请你插入这台设备的驱动程序盘。用户把驱动程序盘给了它，它立即打开盘上的.inf文件（inf的意思是install information，安装信息），检查.inf文件里的标志与新设备的标志是否相同，如果相同，它就会依照.inf文件里提供的路径去找驱动程序，找到之后，后面的工作交给I/O管理器去做，由I/O管理器来完成驱动程序的安装工作。I/O管理器当然也不是白干活，它成了驱动程序的新主人，驱动程序以后就听它使唤了。

6．即插即用理论的最新发展

Windows 95首创了即插即用的理论架构，但它却远不是一个可靠的解决方案，也因此得了一个绰号Plug and Pray（即插即祈祷）。Windows98、Windows2000直至现在最新Windows XP都对即插即用技术进行了不断完善。

Windows2000对Windows95的即插即用模式进行了重大变革，Window2000采用新型的WDM（Windows Driver Model，Windows驱动模型）体系结构，对于为Windows 95和Windows 98所编制的VxD（虚拟设备驱动）程序不提供支持。相比之下，Windows98还是一个过渡产品，在使用WDM的同时，也保留了对VxD的支持。

Windows2000对即插即用的支持是按照ACPI（Advanced Configuration and Power Interface，高级配置和电源接口）规范来处理的，所有电源管理和配置设置都处于操作系统的控制之下，而不再受BIOS控制。BIOS与操作系统在资源配置问题上分庭抗礼的局面已经结束，BIOS不再对资源进行配置，其主要任务转变成为ACPI创建一个“资源需求表”供操作系统使用。这种新的控制模式使Window2000对即插即用的支持比Window95具有更为广泛的适应性。

Windows 2000对资源实行动态分配，多台设备可以共享同一IRQ，这个特性可以使用户添加多个硬件而不用关心硬件冲突的事情。你可能看到在设备管理器中许多设备共同使用一个IRQ，比如IRQ9，但每一台设备都可以正常运转。

最新的Windows XP与Windows 2000的内核基本相同，能够更好地支持一些新近出现的设备，如DVD和IEEE1394接口的AV设备等。Windows XP将即插即用应用范围扩展到了整个网络上，可以发现和控制网络打印机、Internet网关以及消费电子设备。

为了确保硬件对即插即用操作系统的支持，Microsoft对硬件制造商提供硬件及驱动程序的PnP兼容性测试服务，获得通过的硬件和驱动程序可获得Microsoft的Designed for Windows标志及驱动程序的数字签名。目前，这一技术已经被纳入到Windows 2000和Windows XP的即插即用管理器中。

7．开放体系结构：即插即用的基石

20年前，IBM、Intel和微软在个人计算机制造业的联姻，诞生了开放的PC工业标准，标志着个人计算机应用时代的全面到来。开放的硬件体系结构、统一的操作系统和应用软件，这个一统江湖的标准沿用至今。

开放体系可以让各种设备非常容易地连接在一起。“基于简单扩展总线的开放体系结构” 的出现是电脑的一次革命，也是PC最重要的概念。如果没有开放体系，从工厂造出来的电脑一切都不能更改，不能扩充功能，不能升级，电脑就是一个死机器。一句话，没有开放体系结构，新硬件压根儿无从谈起。

开放体系结构已经沿用了20年，现在仍然可以把最早期的PC扩展卡插在最新的PC主板上并保证正常工作，这就是开放标准的魅力所在。ISA是最早的总线标准，最初为8位数据宽度，运行速度为4.77MHz，与当时的CPU速度相同。后来发展为16位,运行速率达到8MHz，今天仍然有一些ISA板卡在使用中。

PCI总线标准是ISA的替代者，数据传输速度提高到了133MB/s，最高甚至可达533MB/s(总线数据位宽为64bit和总线工作频率为66NHz时)，这使ISA总线望尘莫及。另外，PCI比ISA“聪明”多了，可以共享中断申请 (IRQ)，支持即插即用，这是一大进步。只要将适配卡插入PCI插槽，不用设置跳线开关，不用选择IRQ、DMA通道、I/O接口地址和存储器地址，系统就自动检测到并分配资源，马上便可以使用了。另外，使用PCI网卡，还可以实现远程唤醒，它是通过PCI插槽的A19引脚连接到ACPI控制器的一个唤醒信号PME（Power Management Event，电源管理事件）实现的。

USB和IEEE1394的诞生和发展，给开放式体系结构注入了新的活力。这两种接口最大的特点是支持热插拔，电脑用户通过它们第一次体验到即插即用带来的好处。另外，它们都具有极高的数据传输率，顺应了历史发展潮流，因此近几年得到了迅速发展。新出现闪存盘和数码产品一开始就采用这两种接口，一些老的设备（如打印机和扫描仪等）为了提高速度，也开始从并行接口向USB接口转移。

8．Device ID：即插即用设备身份证

前面曾经谈到，为了保证硬件对即插即用的支持，微软对设备制造商提供的驱动程序进行测试认证。驱动程序通过测试以后，微软硬件质量实验室（WHQL）会返回设备制造商送检的驱动程序文件和一个.cat文件（catalog，目录），.cat文件含有Microsoft的数字签名（也叫“驱动程序签署”或“代码签署”）信息。这样，制造商便可将这个.cat文件包括进驱动程序包中提供给最终用户，用于硬件安装的数字签名审核。经过数字签名的设备信息可以在微软公司的网站上找到。

驱动程序经过数字签名后，制造商可以在其产品上署名“Designed for Windows”标志，同时拥有一个与数字签名相匹配的Device ID（设备识别码）。Device ID是一个4位的16进制数，保存在设备的ROM芯片中，它就是该设备的身份证，具有全球唯一性。安装驱动程序时，安装程序中的数字签名程序将读取Device ID，以检验驱动程序的合法性和PnP兼容性。驱动程序安装后，其Device ID和其他一些能够进一步标识该设备的详细信息被记录在注册表的HKEY_LOCAL_MACHINE\Hardware\Description\System子键中，其中除了Device ID，还有Vendor ID（制造商识别符）、subsystem ID和revision ID等更为详细的设备信息。

在Windows XP中，数字签名策略默认为启用状态，通过数字签名测试的驱动程序，则表明已经通过了Windows的硬件兼容性测试（Hardware Compatibility Test，HCT），而且自通过测试之日起没有被改动过。

如果试图安装一个未经签署的驱动程序，Windows会发出一个警告信息，告知驱动程序数字签名的重要性，如图4。选择继续安装，就不能保证设备能否正常使用。安装了一个与device ID与不相匹配的驱动程序，设备管理器会将该设备作为“未知设备”对待。如果发生资源冲突，还会在该设备前面加一个黄色感叹号。

图4    数字签名的警告信息

除了在操作系统安装驱动程序要用到Device ID，PnP BIOS也要读取并识别Device ID，以便分辨设备类型，根据类型给其分配所需的资源。

（全文结束）

当我们把新硬件插入系统后，Windows立即告诉你发现新硬件（如图1），接着识别新硬件，然后自动安装硬件的驱动程序，这样设备就可以使用了，整个过程中系统像在和你交流一样。对于这个神奇的过程，你是否很想知道电脑到底都干了些什么？

图1   插入新硬件后屏幕出现的提示信息